第四章 光 知识清单-2024-2025学年高二上学期物理人教版（2019）选择性必修第一册

选修一知识清单系列（四） 第四章 光 知识清单 一、光的反射和折射 1、光的反射现象与折射现象 一般来说，光从第1种介质射到该介质与第2种介质的分界面时，一部分光会返回到第1种介质，这个现象叫作光的反射；另一部分光会进入第2种介质，这个现象叫作光的折射。 2、 光的反射定律（内容） （1） 入射光线、反射光线、法线在同一平面内； （2） 入射光线和反射光线分居在法线的两侧； （3）入射角等于反射角。 3、光的折射定律 (1)内容：折射光线与入射光线、法线处在同一平面内，折射光线与入射光线分别位于法线的两侧；入射角的正弦与折射角的正弦成正比。 (2)表达式：＝n12。 4、折射率 (1)定义：光从真空射入某种介质发生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，叫作这种介质的绝对折射率，简称折射率，用符号n表示。（真空的折射率为1，空气的折射率近似为1） (2)物理意义：折射率反映介质的光学特性，折射率大，说明光线以相同入射角从真空斜射入该介质时偏折的角度大（正弦值小），反之偏折的角度小。 (3)定义式：n＝，折射率由介质本身的光学性质和光的频率决定。 (4)说明： ①公式n＝中，光不论是从真空射入介质，还是从介质射入真空，θ1都是指真空中的光线与法线间的夹角，θ2都是指介质中的光线与法线间的夹角。 ②光在不同介质中的传播速度不同；某种介质的折射率，等于光在真空中的传播速度c与光在这种介质中的传播速度v之比，即n＝。 ③折射率由介质本身的性质和入射光的频率共同决定，与入射角和折射角的大小无关。 ④折射率与介质的密度没有关系，光密介质不是指密度大的介质。 ⑤同一种介质中，频率越高的色光折射率越大，传播速度越小。 ⑥同一种色光，在不同介质中虽然波速、波长可能不同，但频率相同。 5、 相对折射率（补充）： 光从介质1射入介质2时，入射角θ1与折射角θ2的正弦之比叫做介质2对介质1的相对折射率，通常用n12表示，如果介质1、介质2的折射率分别是n1、n2，光在介质1、介质2中的传播速度分别是v1、v2，那么，n12＝＝＝，所以n1v2＝n2v1或n1sinθ2＝n2sinθ1。 6、光路具有可逆性 7、光密介质与光疏介质 (1)光密介质：折射率较大的介质。 (2)光疏介质：折射率较小的介质。 (3)说明：光密介质与光疏介质是相对的。某种介质相对其他不同介质可能是光密介质，也可能是光疏介质。 二、全反射、光的色散 1、全反射 （1）定义：当光从光密介质进入光疏介质时，同时发生折射和反射。如果入射角逐渐增大，折射光离法线会越来越远，而且越来越弱，反射光却越来越强。当入射角增大到某一角度，是折射角达到900时，折射光完全消失，只剩下反射光，这种现象叫做全反射。 （2）条件：①光从光密介质射入光疏介质；②入射角等于或大于临界角。 （3）临界角的计算：sinC＝。 （4）全反射的有关现象 海水浪花呈白色、玻璃或水中的气泡看起来特别亮、沙漠蜃景、海市蜃楼、钻石的光彩夺目、水下的灯不能照亮整个水面等。 （5）全反射的应用 ①全反射棱镜：用来改变光的方向。 　 ②光导纤维(简称光纤) A、结构：是一种透明的玻璃纤维丝，直径在几微米到一百微米之间，由内芯和外套两层组成，内芯的折射率大于外套的折射率，即内芯是光密介质，外套是光疏介质。 B、原理：光在光纤的内芯中传播，每次射到内芯和外套的界面上时，入射角都大于临界角，从而发生全反射。 2、光的色散 (1)光的色散现象：含有多种颜色的光被分解为单色光的现象。 (2)色散规律：白光是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种色光组成的，折射率依次增大，红光的最小，紫光的最大，当一束白光入射到棱镜界面时，七种色光以相同的入射角射到棱镜界面，各种色光的折射角不同，红光偏折得最小，紫光偏折得最大；当它们从另一个界面射出时，仍然是紫光的偏折最大，红光的偏折最小。 (3)说明 ①白光为复色光； ②同一介质对不同色光的折射率不同，频率越大的色光折射率越大； ③不同色光在同一介质中的传播速度不同，根据n＝，频率越大，折射率越大，则波速越小。 (4)光的色散的种类 折射时的色散、干涉时的色散、衍射时的色散。 三、光的干涉 1、产生条件：如果两列光的频率相同、相位差恒定、振动方向相同，就会发生干涉现象。 2、双缝干涉（如图1所示） (1)原理（如图2所示） (2)出现亮、暗条纹的条件 ①光的路程差r2－r1＝±kλ(k＝0，1，2…)，光屏上出现亮条纹。 ②光的路程差r2－r1＝±(2k＋1)(k＝0，1，2…)，光屏上出现暗条纹。 （3） 相邻两条亮条纹或暗条纹的中心间距公式：Δx＝λ。 推导： ①亮条纹中心的位置 如图甲所示，在线段P1S2上作P1M＝P1S1，于是S2M＝r2－r1。由于两缝之间的距离d远远小于缝到屏的距离l，所以能够认为三角形S1S2M是直角三角形。根据三角函数的关系，有r2－r1＝dsinθ。 另一方面：当角θ很小时，用弧度表示的θ与它的正弦sinθ、正切tanθ，三者近似相等。所以x＝ltanθ≈lsinθ，消去sinθ，有r2－r1＝d，当两列波的路程差为波长的整数倍，即d＝nλ(n＝0，±1，±2，…)时出现亮条纹，也就是说，亮条纹中心的位置为x＝nλ。 ②条纹间距：由上面的分析可知，相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距是Δx＝λ。 (4)干涉条纹的特点 ①单色光：形成明暗相间的条纹，中央为亮条纹，如图3所示。 ②白光：光屏上出现彩色条纹且中央亮条纹是白色，即发生色散，如图4所示。 3．薄膜干涉 (1)原理：如图5所示，不同位置的薄膜，厚度不同，因此在膜上不同的位置，来自前后两个面的反射光的路程差不同，叠加后出现明暗相间的条纹。 （2）示例：如图乙所示，竖直放置的肥皂薄膜，由于重力的作用，形成上薄下厚的楔形。光照射到薄膜上时，在膜的前表面AA′和后表面BB′分别发生反射，形成的两列频率相同的光波相互叠加，发生干涉。 (3)明暗条纹的判断方法：对于单色光，当薄膜前后两个表面反射回来的两列光波的路程差Δr＝kλ(k＝0，1，2，…)时，出现亮条纹；两列光波的路程差Δr＝(2k＋1)(k＝0，1，2，…)时，出现暗条纹。 (2)应用 ①增透膜：增透膜的厚度为透射光在薄膜中波长的四分之一的奇数倍，使薄膜前后两面的反射光的路程差为薄膜中波长的一半的奇数倍，故反射光叠加后减弱，透射光的强度增强。 ②利用薄膜干涉检测镜面或其他精密的光学平面的平滑度：如图甲所示，两板之间形成一个空气薄层，用单色光从上向下照射，如果被检测表面是平滑的，得到的干涉图样必是等间距的。如果某处凹下，则对应亮纹(或暗纹)向左弯曲，如图乙所示；如果某处凸起来，则对应亮条纹(或暗条纹)向右弯曲，如图丙所示。 四、光的衍射 1、光的衍射现象 在挡板上安装一个宽度可调的狭缝，缝后放一个光屏。用单色平行光照射狭缝，我们看到，当缝比较宽时，光沿直线通过狭缝，在屏上产生一条与缝宽相当的亮条纹。但是当缝调到很窄时，尽管亮条纹的亮度有所降低，但是宽度反而增大了，而且还出现了明暗相间的条纹。这表明，光没有沿直线传播，它绕过了缝的边缘，传播到了相当宽的地方。这就是光的衍射现像。 2、发生明显衍射的条件 在障碍物或狭缝的尺寸足够小的时候，会发生明显的衍射现象。在任何情况下都可以发生衍射现象，只是明显与不明显的差别。 3、几种典型衍射条纹的特点 (1)单缝衍射： ①单色光的衍射图样中间为宽且亮的单色条纹，两侧是明暗相间的条纹，条纹宽度比中央窄且暗；单色光的波长越长，单缝越窄，中央亮纹越宽。如图7所示。 ②白光的衍射图样中间为宽且亮的白条纹，两侧是渐窄且暗的彩色条纹，如图8所示，这是光在衍射时的色散。 (2)圆孔衍射：如图9所示，中央是大且亮的圆形光斑，周围分布着明暗相间的不等距圆环，且越靠外，亮圆环越窄越暗。 (3)圆盘衍射(泊松亮斑)：如图10所示，当光照到不透明的半径很小的小圆盘上时，对于一定的波长，在适当的距离上，圆盘的阴影中心出现亮斑，在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环。 4、几点说明： （1）单缝衍射与双缝干涉的比较 两种现象 单缝衍射 双缝干涉 不同点 图样特点 条纹宽度 条纹宽度不等，中央最宽 条纹宽度相等 条纹中心间距 两相邻亮条纹中心间距不等 两相邻亮条纹中心间距相等 亮度情况 中央条纹最亮，两侧条纹逐渐变暗 条纹清晰，亮度基本相等 发生条件 产生明显衍射的条件：障碍物或孔、缝的尺寸与光的波长差不多或比光的波长更小 两束光频率相同、相位差恒定、振动方向相同 相同点 干涉、衍射都是波特有的现象，波长越长越明显；干涉、衍射都形成明暗相间的条纹 （2）白光干涉和衍射形成彩色条纹的原因 ①双缝干涉时，根据亮条纹中心位置的公式x＝nλ(n＝0，±1，±2，…)，各种单色光的波长不同，在屏上的亮纹位置(间距)就不同，所以各色光亮纹不重合呈现彩色条纹，中央位置对各单色光路程差都为0，所以叠加出白色条纹。 ②单缝衍射时，缝宽一定，光的波长越长，中央亮纹越宽，且各单色光衍射时的其他条纹位置不同，所以白光的单缝衍射中央亮纹叠加出白色，两侧呈彩色。 （3）干涉与衍射的本质 光的干涉条纹和衍射条纹都是光波叠加的结果，从本质上讲，衍射条纹的形成与干涉条纹的形成具有相似的原理。光的干涉是两列光波的叠加，光的单缝衍射是来自单缝不同位置的无限列光波通过缝之后叠加时加强或削弱的结果。 五、光的偏振 1、偏振 在横波中，各点的振动方向总与波的传播方向垂直。不同的横波，即使传播方向相同，振动方向也可能是不同的，这个现象称为“偏振现象”。横波的振动方向称为“偏振方向”。 2、自然光 太阳以及日光灯、发光二极管等普通光源发出的光，包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫作自然光。如图11所示。 3、偏振光 在垂直于传播方向的平面上，沿着某个特定方向振动的光，叫作偏振光。光的偏振证明光是横波。自然光通过偏振片后，就得到了偏振光。 4、偏振光的产生方式 (1)自然光通过起偏器时产生偏振光。 通过两个共轴的偏振片观察自然光，第一个偏振片的作用是把自然光变成偏振光，叫起偏器。第二个偏振片的作用是检验光是否为偏振光，叫检偏器。 (2除了从太阳、白炽灯等光源直接发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光，都是不同程度的偏振光。自然光在玻璃、水面、木质桌面等表面反射时，反射光和折射光都是偏振光 入射角变化时偏振的程度也有变化。 学科网（北京）股份有限公司 $$